静电刚度式谐振微加速度计的结构设计和制造

　　目前研究较多的谐振梁加速度计就是利用加速度形成的惯性力转化成振梁的轴向应力,从而改变其谐振频率的方法来检测加速度值的[1-3]。因此, 惯性力一轴向应力的转化效率决定了加速度计的灵敏度。常用的微谐振梁加速度计为双音叉梁式。采用差分输出结构,但通过杠杆原理来放大轴向应力,惯性力一轴 向应力转化效率低,灵敏度不高,同时由于微构件几何尺寸太小,杠杆抗冲击性弱,重复性差,灵敏度下降快;加速度计性能受工艺误差影响比较大。

　　基于静电刚度的谐振式微加速度计通过静电刚度来调节频率变化,通过频率变化来敏感外部加速度。即加速度引起质量块的位移,位移带来静电刚度的变 化,刚度变化带来频率的变化。为了进一步提高灵敏度,基于静电刚度的谐振式微加速度计多采用频率差分方式,可以通过加载检测电压来调节灵敏度。虽然该型加 速度计有一些报道[4-5],有较好的性能,但其工作原理和输出频率非线性问题却讨论较少,这正是加速度计设计的关键所在。对于差分结构,能够提高灵敏 度,但工艺误差容易造成2个谐振梁模态的不匹配,会带来面内低阶模态的扰动。给出了单梁谐振加速度计的动力学模型;并获得了频率和各结构位移的非线性关 系;给出了在约束条件下,灵敏度的表达式。建立了差分双梁谐振加速度计的面内模态方程,理论分析得出存在面内低阶模态;并提出减少双梁连接端的刚度来增加 模态的抗扰动能力;干法体硅深刻蚀技术能够在很少的光刻工艺步骤下实现结构的流片。

　　1　基于静电刚度的谐振式加速度计原理

　　差分式基于静电刚度的谐振式微加速度计主要由敏感质量块(阻尼孔)、折叠梁、检测平行板电容器、固定电极、驱动梳齿电容器、音叉谐振梁、固定锚点等,如图1。y方向为驱动检测方向。采用单边驱动,差动敏感的方式。

　　差分式基于静电刚度的谐振式微加速度计可以在中间对称处将结构分为2个相同的单梁谐振加速度计,单梁结构见图2。

　　结构检测部分可以等效为1个平行板电容器,当折叠梁连接检测电压Vs,活动音叉梁接高频方波Va,固定梳齿接交流电压Vasinωt和直流偏置 电压Vd。谐振梁结构可以等效为1个二阶系统,输入输出关系可以类比为1个带通滤波器,对于低幅度高频方波电压Vc,频率远离谐振频率,可以等效为接地。 在驱动电压的直流幅值远大于交流幅值,单谐振梁输出频率f可以表示为[5]

式(1)中,k为音叉臂横向振动的有效机械刚度,N/m;m为音叉臂y方向振动的有效质量,Kg;A为平板电容等效正对面积,m2;ε为介电常 数;x为无加速度时折叠梁和质量块在静电力作用下y方向的位移,m;Δx为存在加速度时,折叠梁和质量块在y方向的位移,m。y1为无加速度时谐振梁在静 电力作用下y方向的位移,m;Δy为存在加速度时,谐振梁在y方向的位移,m。在静态无加速度时,对于折叠梁和质量块有[5]